多线程进阶：synchronized底层原理，锁优化、锁升级的过程

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提示：以下是本篇文章正文内容，Java系列学习将会持续更新

一、synchronized底层原理

Java对象组成

我们都知道对象是放在堆内存中的，对象大致可以分为三个部分，分别是对象头，实例变量和填充字节

MarkWord

synchronized不论是修饰方法还是代码块，都是通过持有修饰对象的锁来实现同步，那么synchronized锁对象是存在哪里的呢？
答案是存在锁对象的对象头Mark Word，而Mark Word中存储了两个信息：是否偏向锁、锁标志位

原理：

在Java中，对象是在堆内存上的，而对象中有一个对象头，对象头中有MarkWord用于存储锁的信息。

MarkWord中有两个标志：是否偏向锁、锁标志位（无锁/ 轻量级锁/ 重量级锁/ GC标记）

锁的类型和状态在对象头Mark Word中都有记录，在申请锁、锁升级等过程中JVM都需要读取对象的Mark Word数据。synchronized给对象加锁就是修改对象头中这两个锁标志位的数值。

当一个Java对象上锁之后，就会指向一个Monitor对象(监视器)，当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。 monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时也是notify/ notifyAll/ wait等方法存在于Object中的原因

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二、JVM对synchronized的优化

锁消除

编译器+JVM判断是否需要消除锁：在单线程的情况下，或者多线程但不存在竞争锁的情况，就会消除锁以提高效率。

StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("a");
sb.append("b");
sb.append("c");
String str = sb.toString();

锁粗化

一段逻辑中如果出现多次频繁的加锁解锁, 编译器 + JVM 会自动进行锁的粗化.

public class Demo {
	// 粒度比较细
	public void test1() {
		Object o = new Object();
		for(int i = 0; i < 100; i ++){
			synchronized(o){
				System.out.println("执行任务");
			}
		}
	}
	// 适当粗化
	public void test2() {
		Object o = new Object();
		synchronized(o){
			for(int i = 0; i < 100; i ++){
				System.out.println("执行任务");
			}
		}
	}
}

锁升级

synchronized锁有四种状态，无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁，这几个状态会随着竞争状态逐渐升级，锁可以升级但不能降级，但是偏向锁状态可以被重置为无锁状态

无锁 < ——> 偏向锁 ——> 轻量级锁 ——> 重量级锁

三、锁升级的过程

偏向锁

当不存在锁竞争的，经常是一个线程多次获得同一个锁的情况下，如果每次都要竞争锁会增大很多没有必要付出的代价，为了降低获取锁的代价，才引入的偏向锁。

核心思想：

如果一个线程第一次加锁，那么锁就进入偏向模式，此时 Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。
所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了。偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。

轻量级锁

轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的情景。
因为阻塞线程需要高昂的耗时实现CPU从用户态转到内核态的切换，如果刚刚阻塞不久这个锁就被释放了，那这个代价就有点得不偿失了，因此这个时候就干脆不阻塞这个线程，让它自旋这等待锁释放。
该线程在自旋过程中，会不断的请求锁。如果多次请求失败，就会膨胀到重量级锁。

重量级锁

加锁机制重度依赖了 OS 提供了 mutex锁，申请锁失败，需要放弃CPU，进入阻塞状态
  · 大量的内核态用户态切换
  · 很容易引发线程的调度
重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，其中 monitor 的本质是依赖于底层操作系统的 Mutex Lock 实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换，切换成本非常高。

优缺点

锁状态	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁解锁无需额外的消耗,和非同步方法时间相差纳秒级别	如果竞争的线程多,那么会带来额外的锁撤销的消耗	基本没有线程竞争锁的同步场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞,使用自旋,提高程序响应速度	如果-直不能获取锁,长时间的自施会造成CPU消耗	适用于少量线程竞争锁对象，且线程持有锁的时间不长,追求响应速度的场景
重量级锁	线程竞争不适用CPU自旋,不会导致CPU空转消耗CPU资源	线程阻塞 ,响应时间长	很多线程竞争锁,且锁持有的时间长,追求吞吐量的场景

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总结:
提示：这里对文章进行总结：
以上就是今天的学习内容，本文是Java多线程的学习，了解了synchronized的底层原理，JVM对syn做出的优化，以及锁升级的具体过程。之后的学习内容将持续更新！！！